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Redes Redes de de Comunicação Comunicação Móvel Móvel Aspectos Gerais • Conceitos básicos • Arquitectura de rede • Transmissão sem fios • Acesso ao meio • Planeamento de frequências • Gestão de mobilidade 2 Conceitos básicos Características de um sistema de comunicação móvel Aspectos de mobilidade – – – – utilizador desloca-se livremente no espaço utilizador comunica em qualquer momento utilizador comunica com qualquer outro utilizador utilizador acede à rede através de uma ampla gama de terminais Sensor sem fios Telefone móvel Assistente Pessoal (PDA) Palmtop Laptop Diversos tipos de terminais para acesso a redes móveis Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 3 Conceitos básicos Características de um sistema de comunicação móvel Requisitos do sistema – equipamento portátil terminais de pequena dimensão com baterias de capacidade elevada – Número Pessoal de Telecomunicações (PTN) número do utilizador independente do terminal – grande capacidade de tráfego potencial do sistema é um acesso por adulto serviços avançados exigem grandes larguras de banda – segurança de serviço necessário adoptar técnicas avançadas de autenticação e encriptagem – interoperação com outras redes necessário suportar comunicação com redes de outros tipos Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 4 Conceitos básicos Características de um sistema de comunicação móvel Problemas do sistema – consumo dos terminais cresce com a capacidade de processamento ecrãs de qualidade exigem maior consumo – interfaces de utilizador compromisso difícil entre dimensões dos dedos e do teclado necessário utilizar símbolos abstractos – memória capacidade limitada nos dispositivos de menores dimensões – mobilidade dificuldade de manutenção de qualidade de serviço durante uma conexão – disponibilidade de frequências grande ocupação de bandas úteis necessidade de coordenação mundial Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 5 Conceitos básicos Características de um sistema de comunicação móvel Problemas do sistema – taxa de transmissão local: algumas dezenas de Mbit/s região: até uma dezena de Mbit/s – qualidade de transmissão grandes variações do nível de sinal interferências significativos – tempos de estabelecimento de conexões relativamente elevados (caso seja requerida a reserva de recursos rádio) – segurança possibilidade de escuta da interface rádio estação base pode ser simulada, atraindo comunicações de terminais móveis – meio partilhado importante usar métodos de acesso seguros Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 6 Conceitos básicos Types of networks WPAN - Wireless Personal Area Networks – short distances among a private group of devices WLAN - Wireless Local Area Networks – areas such as an home, office or a group of buildings WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks – from several blocks of buildings to entire cities PLMN - Public Land Mobile Networks – regions and countries DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld) DMB (Digital Multimedia Broadcasting) – single direction, audio and video Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel Early history of wireless communication 7 Many people in history used light for communication flags 150 BC smoke signals for communication; (Polybius, Greece) 1794, optical telegraph, Claude Chappe Here electromagnetic waves are of special importance: 1831 Faraday demonstrates electromagnetic induction J. Maxwell (1831-79): theory of electromagnetic Fields, wave equations (1864) H. Hertz (1857-94): demonstrates with an experiment the wave character of electrical transmission through space Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller History of wireless communication I 1895 1907 1915 1920 1926 Guglielmo Marconi first demonstration of wireless telegraphy (digital!) long wave transmission, high transmission power necessary (> 200kw) Commercial transatlantic connections huge base stations (30-100m high antennas) Wireless voice transmission New York - San Francisco Discovery of short waves by Marconi reflection at the ionosphere smaller transmitter and receiver, due to the invention of the vacuum tube (1906, Lee DeForest and Robert von Lieben) Train-phone on the line Hamburg - Berlin wires parallel to the railroad track Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller 8 History of wireless communication II 1928 1933 1958 1972 1979 1982 1983 1984 9 Many TV broadcast trials Frequency modulation (E. H. Armstrong) A-Netz in Germany analog, 160MHz, connection setup only from the mobile station, no handover, 80% coverage, 1971 - 11 000 customers B-Netz in Germany analog, 160MHz, connection setup from the fixed network too (but location of the mobile station has to be known) available also in A, NL and LUX, 1979 - 13000 customer in D NMT at 450MHz (Scandinavian countries) Start of GSM-specification goal: pan-European digital mobile phone system with roaming Start of American AMPS (Advanced Mobile Phone System) analog, 850 MHz CT-1 standard (Europe) for cordless telephones Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller History of wireless communication III 1986 1991 1992 C-NETZ in Germany analog voice transmission, 450MHz, hand-over possible, digital signaling, automatic location of mobile device services: fax, modem, X.25, e-mail, 98% coverage Specification of DECT Digital European Cordless Telephone (today: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 1880-1900MHz, ~100-500m range, 120 duplex channels, 1.2Mbit/s data transmission, voice encryption, authentication, up to several 10 000 user/km2, used in more than 40 countries Start of GSM (2G) fully digital, 900 MHz, 124 channels automatic location, hand-over, cellular roaming in Europe - now worldwide system services: voice, data with 9.6 kbit/s, fax, ... Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller 10 History of wireless communication IV 1994 1996 1997 GSM-1800 GSM with 1800MHz, smaller cells HiperLAN/1 (High Performance Radio Local Area Network) ETSI standardization: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s Wireless LAN - IEEE802.11 (legacy) IEEE-Standard, 2.4 - 2.5GHz, 2 Mbit/s 1998 Specification of GSM successors 11 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) as European proposals for IMT-2000 Iridium 66 satellites (+6 spare), 1.6GHz to the mobile phone Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller History of wireless communication V 1999 Standardization of additional wireless LANs IEEE standard 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s Bluetooth for piconets, 2.4Ghz, <1Mbit/s Decision about IMT-2000 Several “members” of a “family”: UMTS, CDMA2000, DECT, … Start of WAP (Wireless Application Protocol) First step towards a unified Internet/mobile communication system Access to many services via the mobile phone 2000 GSM with higher data rates HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) offers 57,6kbit/s (4x14,4kbit/s) First GPRS (2.5G) trials with up to 50 kbit/s (packet oriented!) 2001 Start of 3G - UMTS (Europe), Foma (Japan), CDMA2000 (Korea) UMTS in Europe: 1885-2025 MHz uplink and 2110-2200 MHz downlink UMTS offers between 384kbit/s and 7.2 Mbit/s Partially adapted with permission from Mobile Communications: Wireless Transmission - Jochen Schiller 12 13 Conceitos básicos History of wireless communication VI 2000 HiperLAN/2 up to 56Mbit/s, emphasis is in the quality of service aimed to to compete with 802.11, but failed 2001-02 Standardization of additional W-LANs 2001 - IEEE standard 802.11a, 5GHz, 54Mbit/s 2002 - IEEE Standard 802.11g - 54 Mbit/s 2003 EDGE/EGPRS (2.75G) Enhancement of GPRS - increased data transmission rate and reliability 2005 W-MAN - WiMAX / IEEE802.16e-2005 (Mobile WiMax) broadband access - up to 100Mbit/s 2006 UMTS/HSPA - High Speed Packet Access (3.5G) up to 14.4Mbit/s maximum peak rate several categories for terminals with different peak rates (e.g. 1.8 / 3.6 / 7.2 Mbit/s) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 14 Conceitos básicos Current standardization 3GPP - 3rd Generation Partnership Project – globally applicable Technical Specifications and Technical Reports for a 3rd Generation Mobile System based on evolved GSM core networks and the radio access technologies – maintenance and development of GSM/GPRS/EDGE 3GPP2 - 3rd Generation Partnership Project 2 – North American and Asian interests developing global specifications Radiotelecommunication Intersystem Operations network evolution to 3G – evolution of CDMA2000 system Cellular IEEE – 802.11 (Wireless LAN - WiFi) – 802.15 (Wireless PAN - Bluetooth, Zigbee) – 802.16 (Wireless MAN - WiMax) IETF – Mobile IP – all-IP future multimedia networks Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 15 Conceitos básicos Evolução 1200 Assinantes (milhões) 1000 800 600 400 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Crescimento dos sistemas de comunicação móvel/1 Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 16 Conceitos básicos Evolução Crescimento dos sistemas de comunicação móvel/2 Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 17 Conceitos básicos Evolução Sistemas de 1ª geração: anos 1980 – tecnologia analógica celular – macrocélulas – serviço de voz sem fios Sistemas de 2ª geração: anos 1990 – – – – tecnologia digital celular de grande capacidade macro, micro e picocélulas estação-base inteligente serviços avançados de voz e dados sem fios, compatíveis com ISDN Sistemas de 3ª geração: anos 2000 – – – – – canais de rádio de maior banda e melhor aproveitamento espectral melhor partilha da capacidade total disponível células de dimensão muito variável (desde megacélulas a nanocélulas até 10m) tecnologias avançadas de rede inteligente serviços multimédia (voz, dados, imagens, vídeo) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 18 Conceitos básicos 1ª Geração Móvel celular NMT NMT(Nórdico) (Nórdico) AMPS AMPS(USA) (USA) TACS TACS**(UK) (UK) JTAC * (Japão) JTAC * (Japão) C-NETZ C-NETZ(Alemanha) (Alemanha) 3ª Geração IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) 2ª Geração GSM GSM(Europa) (Europa) IS-95 IS-95(USA) (USA) UMTS UMTS(Europa) (Europa) CDMA2000 CDMA2000(Coreia, (Coreia,US) US) D-AMPS D-AMPS(USA) (USA) PDC (Japão) PDC (Japão) FOMA FOMA**(Japão) (Japão) (*) variantes AMPS Telefonia sem fios CT1+ CT1+(Europa) (Europa) (*) quase IMT-2000 CT2 CT2(UK) (UK) PHS (Japão) PHS (Japão) DECT DECT(Europa) (Europa) Evolução dos sistemas de comunicação móvel Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 19 Conceitos básicos Evolução Aplicações avançadas – comunicações interpessoais de áudio e vídeo – serviços de mensagens multimédia – distribuição de informação acesso WWW serviços de informação – serviços empresariais assistente pessoal escritório móvel acesso remoto a dados da empresa – aplicações de navegação posição pessoal suporte à condução rodoviária (ex: redes ad-hoc entre veículos e equipamento da estrada) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 20 Conceitos básicos Evolução Aplicações avançadas – serviços de massas serviços bancários serviços públicos comércio electrónico serviços de tipo help desk – serviços culturais guia inteligente com informação dependente da localização distribuição de informação cultural personalizada – serviços de emergência monitoração de funções vitais substituição de infraestruturas fixas em caso de desastres – computação ubíqua - "instrumentação do mundo real" sensores sem fios - aquisição de dados distribuída actuadores sem fios - execução de acções em dispositivos Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 21 Conceitos básicos 4th Generation of mobile communications Principles – heterogeneous access networks aimed at transporting IP packets – based on existing technologies: PLMN, WMAN, WLAN, WPAN, DVB-H – ambient intelligence region Vertical handover metropolitan / rural area campus / urban block Horizontal handover building Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 22 Arquitectura de rede Estrutura celular área coberta dividida em células Características – – – – comunicações do terminais asseguradas por uma estação estação base em cada célula requer ligações das estações base a uma rede rede fixa necessário assegurar a transferência de canais entre células (handover) exige planeamento de frequências para controlar de interferência entre células Cobertura celular ideal (total área coberta) Cobertura celular ideal (estação base mais favorável) Cobertura celular real (total área coberta) Cobertura celular real (estação base mais favorável) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 23 Arquitectura de rede Estrutura celular Conceito de handover – terminal move-se para uma célula vizinha – uma nova estação base passa a assegurar a comunicação – a ligação tem de ser mantida de forma transparente para o utilizador 1 BS 1 T Terminal Mobility switch 2 T 2 BS Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 24 Arquitectura de rede Estrutura celular Dimensão das células – permite controlar a reutilização de frequências – macrocélulas facilitam uma instalação rápida com cobertura alargada – microcélulas permitem aumentar significativamente a capacidade C1 C3 C1 C4 estação móvel C1 C4 C2 C2 estação base C4 C3 C2 C1 C4 C1 C3 Frequências utilizadas numa macrocélula Mário Jorge M Leitão Frequências utilizadas num conjunto de microcélulas Redes de Comunicação Móvel 25 Arquitectura de rede Estrutura celular Dimensão das células – possibilidade de definir células de dimensão variável – tipo de cobertura pode adequar-se aos diferentes requisitos de tráfego Mega cell Cobertura de células de dimensão variável Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 26 Arquitectura de rede Modelo de referência simplificado Aplicação Aplicação Transporte Transporte Rede Rede Ligação lógica Ligação lógica Ligação lógica Físico Físico Rádio Mário Jorge M Leitão Rede Rede Ligação lógica Físico Físico Meio Redes de Comunicação Móvel 27 Arquitectura de rede Modelo de referência simplificado Camada de aplicação criação e fornecimento de serviços aplicações Camada de transporte congestão e controlo de fluxo qualidade de serviço Camada de rede Camada de ligação de dados autenticação acesso ao meio multiplexagem Camada física endereçamento encaminhamento localização handover encriptagem modulação e codificação propagação interferência atribuição de frequências Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 28 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de operação operação e manutenção autenticação EIR OMC OMC - Operation and Management Centre AuC - Authentication Centre EIR Equipment Identity Register AuC HLR Camada inteligente gestão de mobilidade VLR VLR VLR HLR VLR - Home Location Register Visitor Location Register outras redes Camada de transporte MSC transmissão e comutação MSC GMSC MSC - Mobile Switching Centre GMSC - Gateway MSC Camada de acesso rádio acesso à rede via rádio BSC BSC BSC BS BS BS BS BS BS BS BSC BS BSC - Base Station Base Station Controller Arquitectura de camadas funcionais de uma rede de comunicação móvel Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 29 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de acesso rádio – funções de gestão de recursos de rádio atribuição de recursos (frequência, intervalo de tempo, código) monitoração das características do canal determinação dos parâmetros de transmissão de sinal (ex.: potência) coordenação de transferência física entre células Elementos de rede Funções específicas Controlador de estação base Controla as ligações na sua área de cobertura; coordena transferências Estação base Controla interface de rádio; gere atribuição de recursos de rádio Terminal móvel Controla interface de rádio; gere conexões dos serviços Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 30 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de transporte – funções de transmissão e comutação estabelecimento, monitoração e libertação de chamadas transporte de informação entre elementos de rede ligação a outras redes e conversão de protocolos Elementos de rede Funções específicas Centro de controlo móvel Gere as chamadas Ligações de transmissão Transmitem a informação à distância Comutadores Comutam as chamadas Várias gateways Asseguram ligações a outras redes e convertem protocolos Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 31 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada inteligente • segue os movimentos do utilizador • fornece informação para o estabelecimento e encaminhamento de chamadas – funções de gestão de mobilidade registo e actualização de localização chamada (paging): avisa um utilizador da chegada de uma chamada transferência: permite suportar a mobilidade com a qualidade pretendida Elementos de rede Funções específicas HLR Home Location Register Armazena informação permanente do utilizador na sua área de subscrição VLR Visitor Location Register Armazena informação de utilizadores que entram numa determinada área Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 32 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada inteligente aplicação de conceitos de rede inteligente – informação armazenada em bases de dados, associadas a pontos de controlo de serviços – bases de dados consultadas durante a execução dos procedimentos de chamada rede redede decomunicação comunicaçãode dedados dados informação de controlo terminal móvel ponto de controlo de serviços pedido de informação ponto de comutação de serviços SSP SSP BSC - controlador de estações base SCP BSC BSC BS BS BS BS MSC BS - estação base canal de comunicações terminal fixo GMSC rede móvel rede fixa sinalização entre centrais (ex: SS7) ligação de dados Transacções associadas à gestão de mobilidade: chamada fixo-móvel Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 33 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de operação – funções de operação e manutenção suporta a gestão de informação de utilização da rede, perfil de serviços, taxação inclui armazenamento, consulta, actualização e manutenção de dados – funções de autenticação valida utilizador valida equipamento terminal Elementos de rede Funções específicas OMC Operation and Management Centre Monitora e controla toda a rede AuC Authentication Centre Verifica a autenticidade do utilizador e autorização de acesso ao serviço EIR Verifica a validade do equipamento utilizado Equipment Identity Register Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 34 Intencionalmente em branco Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 35 Transmissão sem fios Bandas de frequências twisted pair coax cable 1 Mm 300 Hz 10 km 30 kHz VLF LF optical transmission 100 m 3 MHz MF HF 1m 300 MHz VHF UHF VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency MF = Medium Frequency HF = High Frequency VHF = Very High Frequency Mário Jorge M Leitão 10 mm 30 GHz SHF EHF 100 μm 3 THz infrared 1 μm 300 THz visible light UV UHF = Ultra High Frequency SHF = Super High Frequency EHF = Extra High Frequency UV = Ultraviolet Light Redes de Comunicação Móvel 36 Transmissão sem fios Bandas de frequências VHF / UHF - bandas de rádio móvel – antenas pequenas e simples para automóveis – características de propagação favoráveis – ligações fiáveis SHF - utilizadas em ligações rádio ponto-a-ponto, comunicações por satélite – pequenas antenas – possível ganho elevado – grande largura de banda disponível UHF / SHF - Wireless LANs – alguns sistemas planeiam usar EHF – limitações devido à absorção do vapor de água (frequência de ressonância - 22 GHz) – desvanecimentos dependentes da precipitação Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 37 Transmissão sem fios Frequency bands in Europe In Portugal – ANACOM manages frequencies – http://www.anacom.pt FWA – Fixed Wireless Access ISM – Industrial, Scientific and Medical Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 38 Transmissão sem fios Modulação do sinal Técnicas de modulação digital só são possíveis modulações de 2 ou 4 estados - as mais eficientes para combater o efeito do ruído e interferências – BPSK / BFSK (Binary Phase Shift Keying / Binary Frequency Shift Keying) DECT (GFSK) simples e robusto baixa eficiência espectral filtro gaussiano aplicado aos impulsos antes da modulação permite aumentar a eficiência (GFSK) – QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) UMTS mais complexo maior eficiência espectral usado frequentemente na forma diferencial (DQPSK) para facilitar a descodificação – MSK (Minimum Shift Keying) GSM (GMSK) semelhante a FSK, sem transições bruscas de fase desempenho idêntico a QPSK filtro gaussiano aplicado aos impulsos antes da espectro compacto modulação permite aumentar a eficiência (GMSK) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 39 Transmissão sem fios Multiplexagem channels ki Multiplexagem em 4 dimensões – – – – k1 espaço (s) frequência (f) tempo (t) código (c) k2 k3 k4 k5 k6 c c t t s1 f Objectivo: meio partilhado por múltiplos utilizadores s2 f c t Multiplexagem espacial – necessidade de afastamento espacial de guarda s3 Mário Jorge M Leitão f Redes de Comunicação Móvel 40 Transmissão sem fios Multiplexagem de frequência Princípio – um canal obtém uma parte do espectro durante todo o tempo Vantagens – não requer coordenação dinâmica – opera com sinais analógicos e digitais k1 k2 k3 k4 k5 k6 c Desvantagens f – baixa eficiência se o tráfego for desequilibrado – capacidade inflexível – necessidade de bandas de guarda t Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 41 Transmissão sem fios Multiplexagem temporal Princípio – um canal obtém todo o espectro durante uma parte do tempo Vantagens – uma única portadora no meio em qualquer momento – capacidade flexível k1 k2 k3 k4 k5 k6 c f Desvantagens – exige sincronização precisa – necessidade de tempos de guarda t Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 42 Transmissão sem fios Multiplexagem de frequência e tempo Princípio – um canal obtém uma parte do espectro durante uma parte do tempo – combinação das multiplexagens de frequência e temporal Vantagens k1 – boa resistência a intercepção maliciosa – possibilidade de protecção contra desvanecimentos c selectivos à frequência (ver adiante) – maiores débitos (comparado com multiplexagem de código) k2 k3 k4 k5 k6 f Desvantagens – exige sincronização precisa Mário Jorge M Leitão t Redes de Comunicação Móvel 43 Transmissão sem fios Multiplexagem de código Princípio k1 – cada canal tem um único código – todos os canais usam o mesmo espectro ao mesmo tempo (tecnologia de espalhamento espectral) k2 k3 k4 k5 k6 c Vantagens – excelente resistência a intercepção maliciosa – protecção contra desvanecimentos selectivos à frequência e interferências (ver adiante) – não requer coordenação nem sincronização – eficiente f Desvantagens – débitos de utilizador mais baixos – recuperação do sinal mais complexa t Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 44 Transmissão sem fios Transmissão full-duplex Duplex por divisão nas frequências (FDD) – banda total dividida em duas sub-bandas, uma para transmissão e outra para recepção f ligação descendente ligação descendente n B GSM 3 2 1 UMTS (modo FDD) n B bandas de guarda 3 2 1 ligação ascendente t ligação ascendente Princípio da transmissão FDD Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 45 Transmissão sem fios Transmissão full-duplex Duplex por divisão nos tempos (TDD) – intervalos de tempo agrupados em dois blocos, um para transmissão e outro para recepção DECT ligação descendente UMTS (modo TDD) 1 2 3 n ligação ascendente 1 2 3 n t intervalos de guarda Princípio da transmissão TDD Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 46 Transmissão sem fios Transmissão full-duplex Pontos fortes e fracos de FDD e TDD Característica interferência entre sentidos FDD TDD exige tempos de guarda e sincronização relativamente fácil de assegurar através de temporal precisa entre os sentidos de bandas de guarda Ï transmissão Ð continuidade de transmissão transmissão contínua reduz interferências transmissão em rajadas introduz sobre outros sistemas Ï interferências sobre outros sistemas Ð planeamento de frequências exige planeamento adequado de frequências com bandas emparelhadas Ï atribuição assimétrica de capacidade canal recíproco Ð opera em bandas não emparelhadas troca simples de capacidade entre a troca difícil de capacidade entre a ligação ligação ascendente e descendente, por ascendente e descendente Ð alteração do ponto de comutação duplex Ï desvanecimentos não correlacionados na desvanecimentos correlacionados na ligação ascendente e descendente Ð ligação ascendente e descendente Mário Jorge M Leitão Ï Redes de Comunicação Móvel 47 Transmissão sem fios Antenas para o equipamento móvel Tipos de antenas – dipolo de 1/2 comprimento de onda (λ/2) – monopolo de 1/4 de comprimento de onda (λ/4) e plano de terra (ex: tejadilho de automóvel) possível usar acoplamento indutivo (antena "carregada") para reduzir comprimento físico problema: eficientes numa banda relativamente estreita λ/4 λ/2 y y z x vista lateral (plano xy) z vista lateral (plano yz) x vista de topo (plano xz) Tipos de antenas e respectivos diagramas de radiação Mário Jorge M Leitão Antena em dipolo Redes de Comunicação Móvel 48 Transmissão sem fios Antenas para o equipamento móvel Tipos de antenas – hélices maior largura de banda desempenho inferior a dipolos – elementos planares (impressos) possibilidade de operação em mais do que uma banda redução de radiação para a cabeça Antena em hélice Mário Jorge M Leitão Antena em elementos planares Redes de Comunicação Móvel 49 Transmissão sem fios Antenas para o equipamento móvel Requisitos actuais cada vez mais complexos – formato dos terminais muito diversificado – redução do volume compatível com menor dimensão dos terminais – operação em múltiplas bandas/sistemas (ex: GPS, recepção FM) – problemas de interferência com o próprio equipamento – necessidade de diversidade de recepção para melhorar o desempenho – conformidade com normas de segurança de radiação (SAR, Specific Absortion Rate) – compatibilidade com sistemas de ajuda à audição – insensibilidade à proximidade das mãos dos utilizadores – insensibilidade à orientação do terminal (vertical, numa mesa, no bolso) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 50 Transmissão sem fios Antenas para a estação base Características fundamentais – banda de frequências de operação – características de radiação ganho máximo diagrama de radiação largura do feixe a 3 dB nível de lobos secundários relação frente-trás polarização – características eléctricas impedância de entrada relação de onda estacionária máxima potência de alimentação máxima – características físicas peso resistência ao vento montagem na torre de suporte material das antenas Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 51 Transmissão sem fios Antenas para a estação base Antenas omnidireccionais – dipolo simples de 1/2 comprimento de onda (λ/2) – dipolo dobrado de 1/2 comprimento de onda (λ/2) – monopolo de 1/4 de comprimento de onda (λ/4) e plano de terra (ex: fios) estações base mais simples diagrama de radiação omnidireccional Antena em dipolo simples Antena em dipolo dobrado Mário Jorge M Leitão Antena em monopolo Redes de Comunicação Móvel 52 Transmissão sem fios Antenas para a estação base Antenas omnidireccionais – agrupamentos colineares de antenas dipolos alimentados com fases adequadas permitem aumentar o ganho aumenta a directividade no plano vertical Diagrama de radiação vertical (largura do feixe - 17º) Mário Jorge M Leitão Antena com agrupamento colinear de dipolos Redes de Comunicação Móvel 53 Transmissão sem fios Antenas para a estação base Antenas sectorizadas – agrupamentos de antenas montadas em painéis grande diversidade de configurações do diagrama de radiação possibilidade de operação em várias bandas z x 3 sectores z x 6 sectores Diagramas de radiação horizontal de antenas sectorizadas Antena em painel e respectiva radiação horizontal e vertical Mário Jorge M Leitão Vista interna de uma antena em painel Redes de Comunicação Móvel 54 Transmissão sem fios Antenas de ligação à rede de transporte Antenas direccionais – ligação fixas ponto a ponto – parabolóides ou Yagi y y x vista lateral (plano xy) z z vista lateral (plano yz) x vista de topo (plano xz) Diagramas de radiação de antenas direccionais Antena Yagi Mário Jorge M Leitão Antena parabolóide Redes de Comunicação Móvel 55 Transmissão sem fios Exemplos de sistemas de antenas antena sectorizada (3 sectores) ligação direccional a controlador de estações base Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 56 Transmissão sem fios Exemplos de sistemas de antenas antena disfarçada de árvore Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 57 Transmissão sem fios Exemplos de sistemas de antenas árvore disfarçada de antena Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 58 Transmissão sem fios Exemplos de sistemas de antenas antena disfarçada de candeeiro Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 59 Transmissão sem fios Propagação do sinal Perda de sinal – proporcional a 1/d2 – influenciada por obstrução de obstáculos reflexão em grandes obstáculos dispersão em pequenos obstáculos difracção em cumes de obstáculos reflexão obstrução ⎛ λ ⎞ C = C e Ge G r ⎜ ⎟ ⎝ 4πd ⎠ C = Ce + Ge + 20 log10 2 λ 4πd (W) + Gr (dBW ) Potência de sinal recebido em espaço livre dispersão difracção Perturbações no nível de sinal introduzidas por obstáculos Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 60 Transmissão sem fios Propagação do sinal Previsão da perda de sinal em larga escala – – – – baseada em modelos que têm em conta as condições reais de propagação usam uma combinação de métodos teóricos e empíricos conduzem a um valor estimado para a média da perda do sinal assume-se que a perda de sinal tem uma distribuição log-normal em torno da média L(d )[dB ] = L(d ) + X σ Xσ - variável aleatória gaussiana de média nula e desvio padrão σ Modelos empíricos – aproximação empírica baseada na determinação de expressões que aproximam um conjunto de valores medidos experimentalmente – têm a vantagem de incorporarem todos os factores que afectam a propagação do sinal – requerem validação para diferentes condições Modelos teóricos – resultam de aproximações da realidade – não contabilizam todos os factores – permitem uma fácil alteração para outros valores dos parâmetros Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 61 Transmissão sem fios Propagação do sinal Multipercursos – resultantes da reflexão, dispersão e difracção – produzem dispersão temporal no sinal recebido as várias réplicas do sinal são recebidas com diferentes atrasos de propagação – criam interferências entre raios do mesmo sinal que percorrem diferentes trajectórias vários sinais são adicionados com diferentes fases relativas resultam desvanecimentos no sinal recebido sinal enviado sinal recebido Perturbações no nível de sinal introduzidas por obstáculos Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 62 Transmissão sem fios Propagação do sinal Desvanecimento plano em pequena escala devido a multipercursos – ocorre se dispersão temporal < período do símbolo as flutuações resultam das variações do ganho do canal devido aos multipercursos – propagação sem linha de vista poderão ocorrer desvanecimentos profundos distribuição de Rayleigh modeliza a variação da amplitude do sinal recebido – propagação com linha de vista há uma componente estacionária de sinal que não sofre desvanecimento distribuição de Rice modeliza a variação da amplitude do sinal recebido Desvanecimento selectivo à frequência em pequena escala devido a multipercursos – ocorre se dispersão temporal > período do símbolo o sinal recebido contém múltiplas versões atenuadas e atrasadas no tempo o canal introduz interferência intersimbólica no domínio das frequências, algumas componentes de frequência na banda do sinal têm maiores ganhos do que outras Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 63 Transmissão sem fios Propagação do sinal Efeito da mobilidade na potência de sinal recebido – introduz flutuações da perda de sinal em larga escala variação da distância efeito variável de obstáculos – introduz desvanecimentos em pequena escala trajecto do sinal altera-se multipercursos variam ao longo do tempo efeito Doppler também responsável por este tipo de efeito sinal recebido perda de sinal em larga escala desvanecimento em pequena escala t Desvanecimentos do sinal para um receptor em mobilidade Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 64 Transmissão sem fios Propagação do sinal Interferências – entre sinais na mesma banda de ligações de regiões vizinhas requer um compromisso adequado entre interferências e capacidade do sistema → plano de frequências – entre sinais em bandas adjacentes de ligações na mesma região desejável que os sinais recebidos na estação base tenham todos a mesma potência → controlo de potência região de transmissão emissor região de interferência distância Região de influência de um emissor em termos de interferência Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 65 Transmissão sem fios Mitigação das perturbações na propagação do sinal Margem de propagação – potência nominal de sinal no receptor deve incluir margens de propagação uma margem para ter em conta a variabilidade da perda de sinal em larga escala uma margem para ter em conta o desvanecimento em pequena escala sinal no receptor potência nominal no receptor → garante um objectivo de desempenho com uma certa probabilidade de ocorrência sensibilidade dinâmica do receptor → nível mínimo de recepção para um sinal com desvanecimento em pequena escala sensibilidade estática do receptor → nível mínimo de recepção para um sinal estacionário acréscimo para contemplar distribuição log-normal do nível de sinal acréscimo para contemplar desvanecimento de Rayleigh Margens de potência num receptor móvel Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 66 Transmissão sem fios Mitigação das perturbações na propagação do sinal Controlo de potência GSM UMTS essencial na ligação ascendente para controlar interferências – em malha aberta um sinal de referência descendente é utilizado para estimar o nível de sinal ascendente satisfatório como referência inicial e em modo TDD mas impreciso em modo FDD – em malha fechada estação base efectua medidas da relação portadora/interferência (C/I) na ligação ascendente estação móvel recebe medidas e controla a potência para atingir um valor objectivo objectivo: relação C/I idêntica sinal ascendente informação de controlo de potência estação móvel 2 sinal ascendente informação de controlo de potência estação base estação móvel 1 algumas dificuldades • frequência de medida tem de ser elevada • perigo de instabilidade Controlo de potência em malha fechada Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 67 Transmissão sem fios Mitigação das perturbações na propagação do sinal Diversidade de antenas – comutação receptor escolhe maior sinal de uma das antenas – combinação receptor combina sinais das diversas antenas λ/4 λ/4 λ/2 + Comutação de antenas Combinação de antenas Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 68 Transmissão sem fios Mitigação das perturbações na propagação do sinal Transferência de canal dentro da célula DECT handover intra-célula: ver adiante – alteração de frequência do canal em caso de degradação significativa de C/I reduz efeito dos desvanecimentos e interferências selectivos à frequência Técnicas de banda espalhada (spread spectrum) UMTS 802.11b – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) técnica básica de CDMA: ver adiante reduz efeito desvanecimentos selectivos à frequência e interferências receptor RAKE permite melhorar desempenho – FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) reduz efeito desvanecimentos e interferências selectivos à frequência duas versões saltos lentos: vários bits por frequência saltos rápidos: várias frequências por bit GSM 802.11a/g 802.16e Técnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) reduz efeito desvanecimentos selectivos à frequência Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 69 Transmissão sem fios DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Princípio de operação Modulador Sinal binário de entrada (Rb bit/s) Sinal binário espalhado de saída (Rc = N Rb chip/s) Sequência binária pseudo-aleatória (Rc = N Rb chip/s) Modulador Sinal binário espalhado de entrada Sinal binário recuperado de saída Sequência binária pseudo-aleatória Espalhamento e reagrupamento de um sinal através de uma sequência pseudo-aleatória (dados de entrada “-1 1” e código “1 1 1 -1 1 -1 -1”) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 70 Transmissão sem fios DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Princípio de operação emissor mk(t) bk(t) informação binária transmitida x(t) sinal transmitido modulador BPSK ck(t) portadora sequência PRS y(t) sinal recebido detector coerente portadora local r(t) receptor zk(t) ck(t) sequência PRS Tb ∫0 dt decisão bk*(t) informação binária recebida filtro passa-baixo ou integrador Modelo de um sistema DSSS em banda de canal Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 71 Transmissão sem fios DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Imunidade a interferências P P f sinal original sinal espalhado transmitido sinal de utilizador interferência de banda larga interferência de banda estreita f P P interferências f sinal recebido f sinal recebido P sinal reagrupado f Demonstração qualitativa da imunidade a interferências em DSSS Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 72 Transmissão sem fios DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Receptor RAKE – usa n correlacionadores para identificar diferentes réplicas do sinal – introduz ajustes de ganho e fase para que a soma das réplicas seja coerente – melhora a estimativa do sinal, reduzindo drasticamente o efeito de multipercursos sinal recebido ajuste de ganho e fase atraso atrasoTTc c atraso atrasoTTc c sequência PRS atraso atrasoTTc c correlacionador correlacionador correlacionador correlacionador correlacionador correlacionador correlacionador correlacionador αα11, ,φφ11 αα22, ,φφ22 αα33, ,φφ33 ααnn, ,φφnn Tb ∫0 dt decisão decisão sinal estimado Diagrama-blocos de um receptor RAKE utilizado em DSSS Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 73 Transmissão sem fios FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Princípio de operação tb dados utilizador 0 1 f 0 1 1 t td f3 saltos lentos (3 bits/salto) f2 f1 t td f saltos rápidos (3 saltos/bit) f3 f2 f1 Saltos de frequência num sistema FHSS Mário Jorge M Leitão t tb: período de bit td: período de salto Redes de Comunicação Móvel 74 Transmissão sem fios FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Princípio de operação dados utilizador sinal banda estreita modulador modulador sinal banda larga recebido sinal banda larga transmitido modulador modulador sintetizador sintetizador frequência frequência sequência de saltos dados utilizador desmodulador desmodulador • variações discretas da frequência da portadora • sequência determinística ou aleatória desmodulador desmodulador sintetizador sintetizador frequência frequência sequência de saltos Sistema baseado em FHSS • • • • • implementação simples usa uma pequena parte do espectro disponível não tão robusto como DSSS mais fácil de detectar desvanecimentos e interferências selectivos à frequência perturbam em certos períodos Mário Jorge M Leitão DSSS FHSS Comparação entre sistemas de spread spectrum • • • • • implementação mais complexa usa uma banda relativamente larga muito robusto mais difícil de detectar desvanecimentos e interferências selectivos à frequência equivalentes a ruído Redes de Comunicação Móvel 75 Transmissão sem fios OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing Princípio de operação – equivalente em banda de canal a DMT - Discrete Multitone em banda base – divide a transmissão entre N sub-portadoras diferentes o débito de cada sub-portadora é reduzido de um factor de N relativamente ao débito total o período de cada símbolo aumenta de um factor de N – efeito do desvanecimento selectivo à frequência muito atenuado período do símbolo pode tornar-se superior à dispersão temporal dos multipercursos desvanecimento selectivo à frequência passa a desvanecimento plano – sub-portadoras ortogonais permite minimizar espaçamento entre portadoras maximiza a capacidade do sistema Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 76 Acesso ao meio Técnicas de acesso ao meio Acesso a canais sem fios – canal descendente: opera em difusão, sob controlo total da estação base – canal ascendente: opera em acesso múltiplo, partilhado em competição pelos utilizadores Requisitos do acesso ao meio no canal ascendente – justiça assegura a igualdade de acesso dos utilizadores aos serviços da rede – flexibilidade suporta tráfego constante ou variável, com diferentes requisitos de débito, atraso e taxa de erros – qualidade insensível a problemas de propagação resultantes de redução de nível, multi-percursos, ruído e interferências – capacidade assegura um elevado nº de comunicações simultâneas por km2 Papel da estação base – estação base pode operar como controlador central dos utilizadores de uma célula Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 77 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha protocolo Aloha mais usado - CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Princípio de operação – transmissão efectuada em intervalos de tempo pré-definidos (slotted Aloha) – – – – um terminal só envia pacotes de informação quando detecta um canal livre se mais do que um terminal começar a transmitir ao mesmo tempo, existirão colisões as colisões são reconhecidas no receptor e sinalizadas aos terminais estes suspendem a transmissão e tentam de novo após um tempo aleatório colisão emissor A emissor B emissor C t Acesso múltiplo slotted Aloha Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 78 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Será que os métodos de acesso ao meio das redes cabladas podem ser aplicados a redes móveis? Pressupostos de operação nas redes cabladas – os sinais nos receptores e emissores são semelhantes entre si – todos os emissores têm a mesma informação sobre a presença de transmissões no meio – cada emissor tem possibilidade de detectar as colisões que ocorrem nos receptores Problemas das redes sem fios – o nível de sinal decresce com o quadrado da distância e é afectado por muitos outros factores – CS ou CD podem não funcionar problema do terminal escondido – CS pode inibir transmissões possíveis problema do terminal exposto – oportunidade de acesso diferentes problema do terminal distante Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 79 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Problema do terminal escondido – – – – A transmite para B C não ouve A e detecta o meio livre (falha de CS) C transmite para B e provoca uma colisão A não detecta a colisão (falha de CD) C A B Problema do terminal escondido (C) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 80 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Problema do terminal exposto – – – – B transmite para A C quer transmitir para D mas detecta o meio ocupado (CS) mas A está fora do alcance de C a transmissão de C para D era possível mas é impedida por B B C D A Problema do terminal exposto (C) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 81 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Problema do terminal distante – – – – B e C transmitem para A simultaneamente A só recebe o sinal dominante de B se A for um árbitro de acesso, B é aceite e C rejeitado C não tem a mesma oportunidade de acesso de B B C A Problema do terminal distante (C) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 82 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Adaptação do protocolo baseada no controlo da estação base – indicação de canal livre o terminal só começa a transmitir quando recebe da estação base esta indicação – indicação de falha de transmissão a estação base difunde este sinal para interromper as transmissões quando detecta uma colisão – efeito de captura o sinal que chega a uma estação base com maior potência pode ser captado mesmo que haja colisão problema do terminal escondido resolvido (CA - Collision Avoidance) • CS e CD são assegurados explicitamente pela estação base problema do terminal exposto parcialmente resolvido • as estações base indicam os respectivos canais livres • possível reutilizar frequências em células próximas, mas • exige planeamento adequado de frequências CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance problema do terminal distante mantém-se • efeito de captura aumenta a probabilidade de sucesso mas • agrava a injustiça de acesso Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 83 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleatório Aloha Adaptação do protocolo baseada no protocolo RTS/CTS (com ou sem estação base) – RTS Request To Send o emissor envia um pedido de transmissão num pacote de controlo com indicação do receptor e da duração da transmissão – CTS Clear To Send se o receptor receber o pedido, responde com uma autorização de envio que inclui a duração da transmissão permitida – efeito de captura o sinal que chega ao receptor com maior potência pode ser captado mesmo que haja colisão problema do terminal escondido resolvido (CA - Collision Avoidance) • todos os terminais no raio de acção do emissor e receptor são informados sobre a transmissão que irá ser iniciada • não poderão transmitir durante o período de transmissão indicado nos pacotes RTS e CTS CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance problema do terminal exposto resolvido • se o terminal exposto não estiver ao alcance da estação que envia o CTS, pode transmitir um RTS para a outra estação problema do terminal distante mantém-se Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 84 Acesso ao meio Tráfego transportado (pacotes/slot) Protocolo de acesso aleatório Aloha 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tráfego oferecido (pacotes/slot) Eficiência do protocolo CSMA/CD (variante 1-persistent) Pontos fortes e fracos Ï – simplicidade Ð – baixa eficiência Aplicações GSM – reserva de recursos em sistemas FDMA e TDMA 802.11 – LAN's sem fios Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 85 Acesso ao meio Protocolo de polling Princípio de operação – esquema centralizado de uma estação central mestre e vários terminais escravos – estação central autoriza acesso de acordo com vários mecanismos alternativos rotação → só será justo se os padrões de tráfego dos terminais forem idênticos por reserva → exige fase prévia de pedidos de acesso seguida de rotação de autorizações – possível estabelecer prioridades Pontos fortes e fracos Ï – simplicidade Ð – baixa eficiência – tempos de acesso excessivos com muitos terminais Aplicações Bluetooth 802.11 – LAN's sem fios Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 86 Acesso ao meio Técnicas de acesso múltiplo por divisão de recursos Acesso múltiplo por divisão de espaço (SDMA) – baseado em estruturas celulares – possível sub-dividir células em sectores, recorrendo a antenas direccionais – exige planeamento de frequências para controlar de interferência entre células ver adiante Acesso múltiplo por divisão nas frequências (FDMA) – atribui uma parte da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor Acesso múltiplo por divisão nos tempos (TDMA) – atribui a totalidade da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor, durante um período de tempo Acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) – atribui um código a um emissor e a um receptor para transmissão em banda espalhada as técnicas de multiplexagem anteriormente apresentadas são agora utilizadas para acesso múltiplo ao meio Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 87 Acesso múltiplo ao meio Frequency Division Multiple Access FDMA - Acesso múltiplo por divisão nas frequências atribui uma parte da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor, durante todo o tempo C1 C2 C3 C4 C5 C6 c f t Acesso múltiplo de 6 canais em FDMA Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 88 Acesso ao meio FDMA com reserva fixa Princípio de operação – canal de transmissão com capacidade fixa – pedido de recursos efectuado através de um canal de controlo com acesso aleatório Aloha Pontos fortes e fracos Ï – simplicidade Ð – pouco eficiente para tráfego variável – dificuldade em suportar serviços de diferentes débitos – vulnerável a efeitos adversos de transmissão, nomeadamente multipercursos - este efeito pode ser combatido recorrendo a saltos lentos da frequência de operação Aplicações GSM DECT UMTS – sistemas celulares de 1ª geração utilizados no passado – sistemas celulares de 2ª e 3ª geração em associação com TDMA ou CDMA para aumentar a capacidade Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 89 Acesso múltiplo ao meio Time Division Multiple Access TDMA - Acesso múltiplo por divisão nos tempos atribui a totalidade da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor, durante um período de tempo C1 C2 C3 C4 C5 C6 c f t Acesso múltiplo de 6 canais em TDMA Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 90 Acesso múltiplo ao meio FDMA/TDMA - Combinação dos métodos FDMA e TDMA atribui uma parte da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor, durante um período de tempo GSM: 248 sub-bandas 200 kHz cada DECT: 10 sub-bandas 200 kHz cada c f GSM: 8 intervalos de tempo DECT: 24 intervalos de tempo t Acesso múltiplo de 42 canais em FDMA/TDMA Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 91 Acesso ao meio TDMA com reserva fixa Princípio de operação – canal de transmissão com capacidade fixa – pedido de recursos efectuado através de um canal de controlo com acesso aleatório Aloha Pontos fortes e fracos Ï – compatível com os actuais sistemas de multiplexagem síncrona da rede de transporte – possível suportar serviços com diferentes débitos associando múltiplos intervalos de tempo – tecnologia dominada, de baixo custo Ð – pouco eficiente para tráfego variável: um canal não pode ser utilizado por outros utilizadores, mesmo que não esteja ocupado com transmissão de informação – vulnerável a efeitos adversos de transmissão, nomeadamente multipercursos - efeito minorado recorrendo a saltos lentos da frequência de operação em sistemas FDMA/TDMA Aplicações GSM DECT – sistemas de 2ª geração Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 92 Acesso ao meio TDMA com reserva dinâmica explícita Princípio de operação Protocolo DAMA - Demand Assignment Multiple Access – terminal faz o pedido de intervalos de tempo através de um canal de controlo canal de controlo acedido através de um protocolo Aloha ou canal de controlo com atribuição estática (mini-intervalos de tempo de contenção) – estação base recolhe todos os pedidos e reenvia uma lista de reservas asseguradas – terminal transmite nos intervalos de tempo que lhe foram atribuídos explicitamente Pontos fortes e fracos Ï – usufrui dos intervalos em que não há informação a transmitir – suporta eficientemente tráfego variável de diferentes débitos Ð – problemas potenciais de sobrecarga, atrasos excessivos e tempos de estabelecimento longos – maior complexidade Aplicações – sistemas por satélite Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 93 Acesso ao meio TDMA com reserva dinâmica explícita colisão Aloha reservado Aloha reservado Aloha reservado Aloha t Acesso múltiplo com reserva explícita e canal de controlo Aloha N mini-intervalos reservas garantidas de intervalos de dados N * k intervalos de dados ex: N=6, k=2 intervalos disponíveis que podem ser reservados por outras estações Acesso múltiplo com reserva explícita e canal de controlo com atribuição estática Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 94 Acesso ao meio TDMA com reserva dinâmica implícita Princípio de operação Protocolo PRMA - Packet Reservation Multiple Access – é usado um protocolo Aloha para aceder a um canal de controlo usado para reserva – tráfego de voz: ficam implicitamente reservados intervalos de tempo em tramas consecutivas até ao início de uma pausa – tráfego de dados: reserva-se um intervalo de tempo ou vários intervalos consecutivos, mas com menor prioridade do que a voz ou outro tráfego de débito constante Pontos fortes e fracos Ï – as mesmas vantagens do DAMA – maior garantia de capacidade para o tráfego de voz – maior eficiência para o tráfego de dados Ð – problemas idênticos aos do DAMA, embora atenuados no caso de tráfego de voz Aplicações GSM (GPRS) – variante de PRMA: utilizada em sistemas avançados de 2ª geração Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 95 Acesso múltiplo ao meio Code Division Multiple Access CDMA - Acesso múltiplo por divisão de código atribui a totalidade da banda a um canal de transmissão entre um emissor e um receptor, durante todo o tempo, mas em cada canal utiliza-se um código próprio UMTS: 5 MHz de banda c k1 k2 k3 k4 k5 k6 f t Acesso múltiplo de 6 canais em CDMA Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 96 Acesso ao meio CDMA Princípio de operação baseado em DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum – o terminal transmite logo que tenha dados disponíveis (tal como em sistemas Aloha) – em vez de transmitir o sinal digital directamente, cada bit é modulado por uma sequência de pseudo-aleatória de bits (código ou chave) atribuída ao terminal – cada código é tipicamente constituído por 100 a 10 000 bits (que se designam de chips) – o sinal resultante é assim espalhado numa banda muito maior do que a necessária para transmitir o sinal original (spread spectrum) – no receptor da estação base, a mesma sequência (assinatura) é utilizada para reagrupar o sinal recebido e recuperar os dados – os sinais de outros utilizadores podem ser removidos completamente se os códigos forem ortogonais – é possível aumentar gradualmente a capacidade, aceitando alguma interferência aditiva entre os canais Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 97 Acesso ao meio CDMA Princípio de operação agrupamento do sinal espalhamento do sinal desmodulador desmodulador fonte fonte11 c1(t) ck(t) receptor do sinal k fonte fontekk ck(t) cck(t) - sequências pseudo-aleatórias (códigos) k(t) - sequências pseudo-aleatórias (códigos) fonte fonteNN cN(t) débito binário comprimento Rb de código c débito chips Rc = c Rb características característicasdesejáveis desejáveis Tb ⎧ A, para k = i ck (t ) ci (t ) = ⎨ ortogonais ortogonais 0 ⎩0, para k ≠ i auto-correlação auto-correlaçãobaixa baixa ∫ Multiplexagem de canais em CDMA Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 98 Acesso ao meio CDMA Princípio de operação bk(t) informação binária transmitida emissor receptor canal mk(t) ck(t) sequência PRS zk(t) r(t) n(t) + i(t) ruído e interferências de outros canais ck(t) sequência PRS Tb ∫0 dt decisão bk*(t) informação binária recebida filtro adaptado ou correlacionador Modelo de um sistema CDMA em banda base r (t ) = ck (t )bk (t ) + n(t ) + i (t ) mesma potência na recepção i (t ) = ∑ ci (t )bi (t ) i≠k z k (t ) = ck (t ) r (t ) = ck2 (t )bk (t ) + ck (t )[n(t ) + i (t )] = bk (t ) + ck (t )[n(t ) + i (t )] bk* (t ) = bk (t ) Mário Jorge M Leitão se não existirem erros Redes de Comunicação Móvel 99 Acesso ao meio CDMA Exemplo – código canal 1 = 0100110 – código canal 2 = 1101011 – código canal X = 1000101 dados 1 1 níveis: "0"= -1, "1"= +1 0 1 0 código 1 sinal 1 = dados 1 × código 1 Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 100 Acesso ao meio CDMA sinal 1 dados 2 1 0 0 1 código 2 sinal 2 = dados 2 × código 2 sinal recebido = sinal 1 + sinal 2 Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 101 Acesso ao meio CDMA dados 1 1 0 1 0 1 0 1 0 sinal recebido código 1 sinal recebido × código 1 saída integrador saída comparador Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 102 Acesso ao meio CDMA dados 2 1 0 0 1 1 0 0 1 sinal recebido código 2 sinal recebido × código 2 saída integrador saída comparador Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 103 Acesso ao meio CDMA sinal recebido código X sinal recebido × código X saída integrador saída comparador indefinido indefinido Mário Jorge M Leitão indefinido indefinido Redes de Comunicação Móvel 104 Acesso ao meio CDMA Capacidade do sistema Relação Eb/N0: caso geral Eb Pk Rb = N 0 FkT0 + B −1 ∑ Pi relação Eb/N0 degrada-se com o aumento de canais i≠k Caso particular de dois canais: ruído térmico desprezado Relação Eb/N0: potências recebidas iguais Relação Eb/N0: potências recebidas iguais e ruído térmico desprezado Capacidade do sistema Mário Jorge M Leitão Eb B P1 = N 0 Rb P2 potências recebidas têm de ser iguais para não degradar Eb/N0 Eb P Rb B Rb = = −1 N 0 FkT0 + B ( N − 1)P FkT0 B P + ( N − 1) Eb B Rb B Rb = ≈ N 0 ( N − 1) N N max = B Rb (Eb N 0 )min B/Rb - factor de expansão de banda ou ganho de processamento a capacidade e a relação Eb/N0 são inversamente proporcionais Redes de Comunicação Móvel 105 Acesso ao meio CDMA Capacidade do sistema → considerações práticas – efeito das pausas de comunicação capacidade aumenta de um factor 1/v (v - actividade média da fonte) para tráfego de voz considera-se habitualmente v = 0,38 – antenas de cobertura sectorial em cada célula a capacidade aumenta de um factor S igual ao número de sectores – efeito das interferências entre células caracterizada por F = potência total de interferência / potência de interferência numa célula em cada célula a capacidade reduz do factor de reutilização de frequência 1/F parâmetro F depende de muitos aspectos - tipicamente assume-se um valor 1,5 - 1,6 N max = Exemplo de UMTS B Rb 1 1 S (Eb N 0 )min v F Rb = 15 kbit/s (voz) c = 256 chips Rc = 3 840 kchip/s B = 5 MHz Eb/No= 5 dB Mário Jorge M Leitão v = 0,38 S=3 F = 1,5 Nmax≈ 550 Redes de Comunicação Móvel 106 Acesso ao meio CDMA Pontos fortes e fracos Ï – planeamento de frequências desnecessário: toda a banda está disponível em cada célula – não há um limite rígido de capacidade - há apenas um aumento contínuo da interferência resultante da ocupação crescente de canais – acesso simples sem necessidade de atribuição de canais ou intervalos de tempo – tem imunidade inerente a multi-percursos (afectam apenas uma parte do espectro) – explora inerentemente os períodos de inactividade de canal (ex: pausas de voz) – permite suportar a transferência de célula com maior facilidade – incorpora protecção inerente contra intrusos na comunicação Ð – exige controlo de potência preciso – tem maior complexidade – difícil suportar serviços de débito mais elevado (exige, por exemplo, códigos múltiplos) Aplicações UMTS – utilizado em sistemas de 2ª geração (IS-95) – utilizado em sistemas de 3ª geração Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 107 Acesso ao meio Classificação de protocolos Protocolos Protocolosde deacesso acessomúltiplo múltiplo Sem Semconflito conflito Com Comcontenção contenção Alocação Alocaçãoestática estática Aleatório Aleatório Identificador Identificador Tempo Tempode de chegada chegada Permanente Permanente Alocação Alocaçãodinâmica dinâmica Reserva Reserva Mário Jorge M Leitão Reserva Reserva Token Token Polling Polling Redes de Comunicação Móvel 108 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA Atribuição baseada na estrutura celular – a capacidade total é dividida em conjuntos de frequências, atribuídos a células reutilização – um conjunto de frequências pode ser reutilizado em células distantes de frequência f3 f3 f2 f1 f3 f1 f4 f2 f3 f1 f2 Grupo de 3 células f6 f5 f1 f4 f7 f1 f7 f3 f2 f3 f7 f6 f1 f2 f3 f3 f5 f3 f1 f3 f2 f2 f1 f2 f3 f5 f2 f3 f8 f9 f4 f5 f6 f1 f7 f2 f3 f8 f9 f2 f4 f f5 1 f3 f6 f8 f7 f9 f2 Grupo de 3 células com antenas de 3 sectores Grupo de 7 células Modelos de atribuição de frequências Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 109 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA • Atribuição fixa de frequências Princípio de operação – cada chamada usa apenas as frequências da célula local Pontos fortes e fracos Ï – simplicidade de operação Ð – dificuldade de planeamento – inflexibilidade para contemplar flutuações de tráfego (em chamadas e banda) – probabilidade de bloqueio elevada Aplicações – técnica usada na 1ª geração de sistemas móveis baseada em macrocélulas – inadequada para sistemas de alta capacidade Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 110 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA • Atribuição dinâmica de frequências Princípio de operação – atribuição depende da utilização de frequências na célula da área e nas células vizinhas Pontos fortes e fracos Ï – maior facilidade de planeamento – flexibilidade para contemplar flutuações de tráfego (em chamadas e banda) – reduz probabilidade de bloqueio Ð – maior complexidade de operação Aplicações – técnicas usada em sistemas de 2ª geração – diversas variantes Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 111 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA • Atribuição dinâmica de frequências Estratégia de macrodiversidade – – – – é uma evolução da atribuição fixa de frequências quando é originada uma chamada, é seleccionada a estação base mais favorável se todas as frequências estiverem ocupados, é escolhida a segunda mais favorável; etc. se for escolhida uma estação base distante, a potência transmitida terá de ser maior e as interferências sobre outros canais aumentam terminal móvel estação base activa Estação móvel servida por uma estação base distante Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 112 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA • Atribuição dinâmica de frequências Estratégia de "empréstimo" de frequências – uma célula com necessidade de frequências vai pedi-las "emprestadas" a células vizinhas – este procedimento conduz à necessidade de inibir a reutilização da frequência "emprestada" em células a uma distância menor do que a chamada distância de reutilização – a estação base está sempre próxima da estação móvel: reduz-se a potência transmitida C E D A x B Empréstimo de frequências: (a frequência x é emprestada da célula A para B; não pode ser emprestada por C para D ou E) Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 113 Planeamento de frequências Atribuição de frequências em sistemas FDMA / TDMA • Atribuição dinâmica de frequências Estratégia de alocação flexível de frequências – algumas frequências são permanentemente atribuídos a estações base, enquanto outras estão alocadas a um grupo de frequências dinâmicas geridas pelo controlador de estações base – as frequências dinâmicas são usadas quando as frequências permanentes de uma célula estão ocupadas – atribuição de frequências é efectuada de acordo com uma função de custo que inclui as condições de interferência e probabilidade de bloqueio futuro Estratégia de alocação adaptativa de frequência – no limite, todos as frequências podem ser usados em cada célula – o algoritmo de atribuição de frequências é executado em cada chamada estação base e terminal monitoram as ligações ascendente e descendente, respectivamente procuram as frequências que minimizam a interferência – prescinde de qualquer plano de frequências – exige tecnologia mais desenvolvida Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 114 Planeamento de frequências Atribuição de bandas em sistemas FDMA / CDMA Atribuição de bandas de frequências – em CDMA não há atribuição de frequências → os canais ocupam uma banda muito larga – é apenas necessário efectuar a atribuição de 2 ou 3 bandas em que opera o método CDMA – várias estratégias possíveis B1 B1 B1 B2 B2 B1 Atribuição de duas bandas em regiões com elevado tráfego B1 B1 B2 B2 B1 B2 B2 B2 B2 B1 B2 Atribuição de duas bandas com diferentes tipos de cobertura Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 115 Intencionalmente em branco Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 116 Gestão de mobilidade Objectivos da gestão de mobilidade Localização – o sistema tem de indicar a posição do utilizador para permitir o aviso da chegada de chamadas e o respectivo encaminhamento Transferência de canais (handover) – o sistema tem de assegurar a continuidade da ligação quando o utilizador se movimenta na área coberta pela rede Localização Actualização da localização – ocorre quando o utilizador se quando entra numa nova área – estações base difundem regularmente a identificação da sua localização, no canal de difusão – o terminal móvel recebe esta informação e quando detecta uma alteração de localização reporta a sua nova localização para a estação base – esta envia a informação da nova localização para o correspondente VLR e este notifica por sua vez o HLR do utilizador Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 117 Gestão de mobilidade Localização Especificação da localização – para evitar actualizações excessivas, a localização é definida, não ao nível de célula individual, mas de um conjunto de células ou região – uma redução adicional de actualizações pode ser feita admitindo um certo grau de sobreposição de regiões, evitando alterações frequentes nas travessias de fronteiras Região 1 Região 2 Região de sobreposição Regiões sobrepostas: efeito na redução de actualizações de localização Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 118 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) Caracterização hard handover → a conexão anterior e a nova conexão nunca estão activas em simultâneo – processo de alteração de canal de forma transparente para o utilizador – inclui alteração de frequência, intervalo de tempo ou código, dependendo do esquema de acesso múltiplo adoptado – visa manter a qualidade da ligação ou proporcionar um melhor serviço Fases de transferência – iniciação: tomada de decisão de transferência de canais – execução: atribuição efectiva de recursos na estação base Tipos de transferência – intra-célula estação base mantém-se alteram-se os recursos rádio atribuídos ao utilizador – inter-células a ligação passa a ser suportada por uma nova estação base Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 119 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) • Fase de iniciação Critérios para iniciar uma transferência • deterioração da qualidade de serviço do canal em uso na célula corrente (transferência intra-célula) – qualidade da ligação • atravessamento de limites de células (transferência inter-células) • necessidade de alterar a alocação de recursos corrente para acomodar mais utilizadores ou equilibrar a carga entre células (transferências inter-células ou intra-célula) – optimização da rede Frequência de transferências – o elevado número de utilizadores e a adopção de picocélulas, associadas a condições de propagação muito variáveis, fazem aumentar drasticamente a frequência de transferências – exige-se a adopção de algoritmos robustos que minimizem as transferências, sem comprometer a qualidade de serviço Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 120 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) • Fase de iniciação Transferência entre duas estações base baseadas na qualidade – em linha de vista (entre B1 e B2) tempo de transferência não é crítico – sem linha de vista (entre B1 e B3) como o sinal desce rapidamente ao perder a linha de vista, é necessário uma transferência rápida. nível de sinal de B1 B1 x B2 y B1 x y B3 distância Transferência em linha de vista e sem linha de vista Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 121 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) • Fase de iniciação Aplicação de critérios de qualidade – utiliza-se o nível de sinal, mas também a taxa de erros e a razão portadora-interferência – aplica-se uma janela de média para remover flutuações rápidas evitam-se transferências prematuras – estabelece-se um certo grau de histerese sinal nominal de B1 nível de sinal no móvel comutação com histerese sinal nominal de B2 comutação sem histerese distância de B1 Ilustração da histerese na decisão de transferência Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 122 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) • Fase de execução Princípio base da execução de transferências – uma transferência deve ser executada o mais rapidamente possível – uma transferência tem prioridade sobre novas chamadas Atribuição de canais para execução de transferências – canal reservado alguns canais numa estação base são reservados para transferências – tentativas são feitas tentativas até ser obtido um canal livre – fila de espera os pedidos são colocados numa fila de espera de tipo FIFO possível alteração dinâmica de ordem, imposta por medidas de degradação de qualidade Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 123 Gestão de mobilidade Transferência rígida de canais (hard handover) • Fase de execução Processos de execução de transferência GSM UMTS (interbanda) – NCHO: Network Controlled Handover Controlo total da rede • • • • sinalização elevada tempo de transferência elevado medidas de qualidade na estação base utilizado em sistemas de 1ª geração – MAHO: Mobile Assisted Handover Controlo da rede com cooperação do terminal móvel • sinalização elevada • tempo de transferência reduzido • medidas de qualidade na estação base e no terminal móvel • utilizado em sistemas de 2ª e 3ª geração – MCHO: Mobile Controlled Handover Controlo do terminal móvel • sinalização baixa • tempo de transferência muito reduzido • medidas de qualidade na estação base e no terminal móvel • utilizado em sistemas de 2ª e 3ª geração Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 124 Gestão de mobilidade NCHO Protocolo Tipos de processos de transferência rígida de canais (hard handover) Acções dos elementos de rede Estação móvel (MS) Passiva MAHO Monitora a qualidade da conexão corrente Controlador de BS (BSC) Decide handover Carga Sinalização Tempo Handover Inter-célula Elevada Vários segundos Inter-célula Elevada <1s Informa nova BS Envia medidas para BSC Monitora a qualidade em canais da célula presente e vizinhas MCHO Estação base (BS) Tipo Handover Envia medidas para BS Monitora a qualidade em canais da célula presente Decide handover e informa BSC ou Monitora a qualidade em canais da célula presente e vizinhas Decide handover e informa BS Mário Jorge M Leitão Intra-célula Supervisiona o handover e informa nova BS ou Envia medidas para BSC Decide handover e informa nova BS Monitora a qualidade em canais da célula presente Supervisiona o handover e informa nova BS Inter-célula Baixa <100 ms Intra-célula Envia medidas para MS Informa BSC sobre decisão de handover Redes de Comunicação Móvel 125 Gestão de mobilidade Transferência suave de canais (soft handover) Caracterização soft handover → a conexão anterior e a nova conexão estão activas em simultâneo UMTS (intrabanda) – usa técnicas semelhantes às de hard handover MAHO DECT MCHO – transmissão em simultâneo por dois ou mais canais permite várias estratégias de optimização – tempo de comutação é minimizado Estratégia de validação prévia DECT – estação móvel mantém lista de canais livres com qualidade selecciona canal "óptimo" e transmite nesse canal – estação base determina qual das duas ligações tem melhores condições durante um certo período comuta para a nova ligação e liberta a anterior Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel 126 Gestão de mobilidade Transferência suave de canais (soft handover) Estratégia de diversidade de estações base UMTS – estações base e estação móvel determinam continuamente qualidade das ligações base-móvel as ligações em boas condições são adicionadas ao chamado conjunto activo as ligações degradadas não são incluídas no conjunto activo eventualmente o conjunto activo pode ser limitado a um número máximo de estações base – controlador de estações base selecciona o sinal mais favorável do conjunto activo – exige controlo de potência em múltiplas ligações – especialmente adequado a CDMA Estratégia de diversidade de antenas UMTS utilizável em conjunto com estratégias anteriores – adequada especialmente a células divididas em sectores – múltiplas antenas recebem o mesmo sinal – estação base compara permanentemente os sinais e selecciona o mais favorável – possível adicionar os sinais recebidos com um receptor RAKE Mário Jorge M Leitão Redes de Comunicação Móvel
